醫(yī)療器械領(lǐng)域中距離電能傳輸?shù)膽?yīng)用

湖南長沙南雅中學(xué) 黃渝昂

醫(yī)療器械領(lǐng)域中距離電能傳輸?shù)膽?yīng)用

湖南長沙南雅中學(xué) 黃渝昂

由于具有許多傳統(tǒng)輸電技術(shù)所沒有的優(yōu)勢，無線電能傳輸技術(shù)日益受到人們的關(guān)注。因?yàn)樵谝恍┨厥獾膱龊希瑹o線電能傳輸可以降低輸電過程中一些安全問題的發(fā)生，也能更加方便的為設(shè)備供電，并解決一些傳統(tǒng)輸電技術(shù)無法解決的問題。本文在論述無線電發(fā)展背景的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)實(shí)中MCR-WPT在植入式醫(yī)療器械應(yīng)用方面出現(xiàn)的傳輸效率低下和傳輸距離近的弊端。并且本文針對這一弊端提出改進(jìn)方法，嘗試將“中場無線傳輸”運(yùn)用于這一方面，可以增大傳輸距離和提高工作效率。

無線電能；傳輸；植入式醫(yī)療器械；中場無線傳輸；MCR-WPT

1.無線電能傳輸在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的情況

當(dāng)前環(huán)境污染嚴(yán)重，能源問題也日趨明顯。合理利用能源能更好的解決能源問題，而超級電容，飛輪電池和無線電能傳輸（WPT）等這些新興技術(shù)是我們實(shí)現(xiàn)高效合理利用能源的有效途徑。WPT在醫(yī)療儀器、新能源發(fā)電、航空航天、電力系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、便攜式通訊設(shè)備 、照明等領(lǐng)域都已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。但在植入式醫(yī)療器械這一方面，MCR-WPT卻面臨著傳輸距離短，傳輸效率低下的問題。如果對這個(gè)問題不找出一個(gè)合理的解決措施，那么許多植入式醫(yī)療器械如心臟起搏器，助聽器，神經(jīng)刺激器等的應(yīng)用在使用過程中都會有著極大的不便。

2.MCR-WPT

2.1 MCR-WPT的基本組成

利用兩個(gè)諧振線圈進(jìn)行電能傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，稱為MCR-WPT的第一種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也稱兩線圈結(jié)構(gòu)。

為了更加有效的傳輸電能，將發(fā)射線圈和接收線圈即諧振線圈的自諧振頻率設(shè)置成同一頻率，這也就是系統(tǒng)的諧振頻率。四線圈結(jié)構(gòu)在兩線圈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的進(jìn)步是它能夠進(jìn)行電源和負(fù)載的匹配，這也因此減小了電源和負(fù)載對于諧振線圈的影響。

2.2 MCR-WPT的工作原理

分析MCR-WPT兩線圈結(jié)構(gòu)的電能傳輸工作原理，可以從能量流動(dòng)這一角度入手。首先，電源以系統(tǒng)諧振頻率給發(fā)射線圈供電。這時(shí)讓發(fā)射線圈產(chǎn)生諧振。因?yàn)楫a(chǎn)生了諧振，所以即使有些地方電壓不是很高，也可以產(chǎn)生較大的電流，也從而建起比較強(qiáng)的電磁場。發(fā)射線圈中的電容的電能因?yàn)橹C振與感應(yīng)線圈中的磁能不斷交換，并且發(fā)射端的感應(yīng)線圈中的磁場有一部分鉸鏈到了接收端的感應(yīng)線圈。在接收端中，同樣的，電容中的電能和感應(yīng)線圈中的磁能也在不停地進(jìn)行這能量交換，負(fù)載因此接收到了能量。

針對MCR-WPT的定量的分析，目前主要有電路理論和耦合模理論。目前僅針對電路理論做出闡述。電路理論：通過基爾霍夫定律，得到兩線圈結(jié)構(gòu)回路方程如下：

其中下標(biāo)1表示發(fā)射線圈的電量，下標(biāo)2表示接收線圈的電量。通過化簡，可得：

令電源頻率等于系統(tǒng)自諧振頻率，發(fā)生諧振，此時(shí)有：

將方程(4)進(jìn)一步化簡，可以求出相應(yīng)的電流，從而得到整個(gè)系統(tǒng)的解。

3.植入式醫(yī)療器械

3.1 中場電磁波的提出

美國電子工程師樸恩及其小組將遠(yuǎn)場電磁波的長距離和近場電磁波的安全性優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，這一成果成為“中場電磁波”。

3.2 中場電磁波原理

因?yàn)椴ㄔ诓煌慕橘|(zhì)中傳播速度是不同的，比如聲音在水中和在空氣中的傳播速度是不同的，正是通過這一思路，“中場電能傳輸”就是由一種特殊的電源產(chǎn)生一種特殊的進(jìn)近電磁波。而這一電磁波從空氣傳向皮膚時(shí)，可以改變自身的狀態(tài)，以讓其更有利于傳播。

3.3 電能傳輸?shù)男?/p>

因?yàn)殡娔軅鬏斨g的能量是通過耦合實(shí)現(xiàn)的，所以我們有方程組：

在公式(5)(6)中V1，V2是電感線圈的輸出端和接收端，I1，I2分別是其中的電流，Z為電阻。由于存在互感，所以有。通過計(jì)算可得：

3.4 中場電磁波對植入式醫(yī)療器械領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)

（1）供電過程中沒有物理連接，避免了導(dǎo)線與皮膚直接接觸，防止感染引發(fā)的并發(fā)癥。

在傳統(tǒng)技術(shù)中植入式電池能量耗盡后必須更換，而中場電能傳輸很好地解決了這一問題，并提高了手術(shù)后病人的生活質(zhì)量。

（3）與人體皮膚沒有直接電氣連接，不存在裸露的導(dǎo)線，消除了意外電擊的可能性，提高了設(shè)備的安全性。

（4）不存在直接的摩擦，消除機(jī)械上的磨損以及電氣腐蝕，具有很高的可靠性和免維護(hù)性。

（5）由于非接觸式變壓器一、二次非緊密耦合，所以在變壓器一、二次產(chǎn)生一定程度錯(cuò)位時(shí)，系統(tǒng)仍可正常工作，提高了供電時(shí)的靈活性和病人的舒適性。

（6）增長了傳輸距離，提高了傳輸效率。

4.植入式醫(yī)療器械應(yīng)用的展望

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著“中場電能傳輸”應(yīng)用的深入，植入式醫(yī)療器械的弊端將會被克服，可以預(yù)計(jì)，在植入式醫(yī)療器械大需求的現(xiàn)狀下，這一領(lǐng)域?qū)粩嘤兄碌耐黄疲⑶覍?dòng)無線電能傳輸技術(shù)更加長遠(yuǎn)的應(yīng)用與發(fā)展。

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下滑信標(biāo)的天線安裝在跑道入口的一側(cè)。下滑信標(biāo)天線的等效輻射場是在沿著陸方向上發(fā)射兩個(gè)與跑道平面成一定的仰角，并且有一邊相重疊的相同形狀的波束。兩個(gè)波束的中心在最大值處以相同向量向下或向上偏離下滑道，這兩個(gè)波束信號是以相同頻率發(fā)射的。只是下波束用150Hz進(jìn)行調(diào)幅，上波束用90Hz進(jìn)行調(diào)幅的，并且調(diào)幅度均為40%。

在下滑信標(biāo)發(fā)射機(jī)中，下滑信標(biāo)發(fā)射信號提供的引導(dǎo)范圍應(yīng)為下滑道中心線兩邊各8度的的范圍內(nèi)，引導(dǎo)的距離不能小于10 mile，也是在從地面往上的0.45θ到1.75θ的扇區(qū)范圍內(nèi)，同時(shí)為了接收機(jī)能夠正常工作，在整個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)，最低信號場強(qiáng)度為。同時(shí)，θ在儀表著陸系統(tǒng)的下滑角，應(yīng)該在2°至 4°之間進(jìn)行調(diào)整，而最佳下滑角應(yīng)在2.5°至3°之間選擇。而且在仰角所覆蓋的范圍內(nèi)，在最靠近下滑道的DDM等于0.175的各點(diǎn)軌跡所限定的扇區(qū)叫下滑道扇區(qū)，約±0.7°。

在下滑扇區(qū)內(nèi)，下滑指針偏離指示和飛行器的偏離下滑道的角度大小成正比。當(dāng)飛行器向上偏離或向下偏離下滑道0.35°時(shí)，指針向下偏指或向上偏指一點(diǎn)；但當(dāng)飛行器的偏離下滑道向上或向下等于0.7°時(shí)，指針就會滿刻度偏轉(zhuǎn)。

通過下滑信標(biāo)的建模與仿真，我們可以初步的了解盲降設(shè)備在飛行器降落過程中的工作原理，這將對每一位盲降設(shè)備的維護(hù)人員，特別是新員工建立全面的盲降原理起到重要作用。